萬年備胎小冥的故事－IT工程師數位筆記本

文章出處

你好，冥王星劉博洋，天體物理學博士生

按：前幾天傳出消息說人類可能“再次發現第九大行星“，想起去年 10 月曾在《知識就是力量》上發過一篇講冥王星的稿子，遂拿出來湊個熱鬧。下文是我給雜志投稿時的原稿，部分配圖為近期放出的新圖。

北京時間 2015 年 7 月 14 日 19 時 51 分，承載著全世界殷切期望的無人探測器新視野號，經過 9 年多、跨越數十億公里的長途跋涉，終于抵達太陽系邊疆的神秘星球——冥王星，在距它 12500 公里的地方為我們發回了冥王星的高清彩照。這次成功的造訪掀起了全世界人們的狂歡，讓冥王星這個已經被“踢”出太陽系行星序列的小家伙，再一次感受到了太陽系大家庭的溫暖。

冥王星雖然一貫低調，卻難掩它作為一顆“有故事”的星球的本色。借著新視野號的東風，讓我們一起八一八冥王星的前世今生。

冥王星的發現

在介紹今天的主角冥王星之前，不妨先來看看我們太陽系中的其他成員。

古人很早就注意到，天空中除了似乎恒久不變的無盡星場，還有那么幾個不老實的“漫游者”——行星。張衡在《靈憲》中寫道，“凡文耀麗乎天，其動者七，日月五星是也”。這五星就是我們熟悉的幾顆大行星：水星、金星、火星、木星和土星。在人類歷史的大部分時間，這五顆行星——在日心說大行于世之后，再加上地球——是人們對太陽系行星家族的全部認知。

（1539，Cosmographia《宇宙通志》）

直到 1781 年，那是伽利略發明望遠鏡之后的第 172 個年頭，一個名叫威廉·赫歇爾的德裔英國天文學家（他還是個宮廷作曲家），用他自制的反射式望遠鏡，在自家后院，發現了一個淡藍色、具有行星般小圓面的新天體——起初他以為這是一顆彗星，然而他的天文學家朋友圈中，很快就有人指出，這顆新天體的軌道幾乎是正圓，而它的軌道比土星還遠——這是一顆新的行星！

（注：這并不是赫歇爾發現天王星用的那一臺望遠鏡。這是他發現天王星之后 8 年建造的 1.26 米口徑望遠鏡。）

這是在“日月五星”之后，人類第一次發現，太陽系的新邊疆。這顆新行星，被人們以希臘神話中主管天界的神明之名，命名為“天王星”。

轉眼過了半個多世紀，天王星自發現以來，繞太陽公轉也差不多一周了。人們發現，天王星在天上的位置，似乎總與牛頓力學預報的不大相符——是牛頓錯了么？人們并不這樣認為。英國數學家約翰·亞當斯和法國數學家奧本·勒維耶在 1846 年夏天幾乎同時發表文章，指出天王星運行的“異常”，應該是由它附近另一個還沒有發現的行星對它的引力影響導致的。他們分別計算出這顆未知行星的可能位置，提請各天文臺在預測范圍內進行觀測尋找。果不其然，只用了幾個月的時間，新柏林天文臺就在這年的 9 月份在他們預測的位置附近發現了這顆“筆尖上的行星”——它被命名為“海王星”。

（1838，新柏林天文臺）

海王星的發現，讓牛頓力學“偉大、光榮、正確”的形象更加深入人心。人們不禁期待，太陽系中，會不會還有更多的行星，等待人們的發現？

又是半個多世紀。20 世紀初，一個土豪的美國作家、數學家也是天文學家帕西瓦爾·羅威爾，認為海王星的軌道也跟預測的不大一樣，斷定在海王星之外，還有一顆尚未被發現的“X 行星”。這位曾經率先發現火星上有“運河”一樣的溝塹、引發科幻文學“火星人”幻想狂潮的土豪大大，建立了自己的“羅威爾天文臺”，認真的開始搜尋起來；遺憾的是直到他 1916 年去世，也還是沒有找到。同一時期，另一位美國天文學家威廉·皮克林也基于同樣的理由預測海王星之外他所謂“O 行星”的存在，然而他動用美國威爾遜山天文臺的望遠鏡進行搜尋，同樣一無所獲。

（帕西瓦爾·羅威爾，1855-1916）

羅威爾去世十年之后，羅威爾天文臺接到了一封年輕人的來信。來信者名叫克萊德·湯博，是美國堪薩斯州一個 20 歲的農家孩子。在他 16 歲時，家里田地遭了雹災，損失慘重，讓他成了“失學兒童”，斷送了上大學的夢。他的父親為了讓他繼續自己的天文學理想，打了第二份零工，為他掙出造一架自己的望遠鏡的錢。湯博給羅威爾天文臺寄去的信，就是用這臺自己制作的望遠鏡觀測描繪的月面和行星畫像。這封信，為湯博換來了羅威爾天文臺的一份工作。

（克萊德·湯博，1906-1997）

這份工作就是繼承羅威爾的遺愿，繼續搜尋冥王星。

湯博用一臺口徑 33 厘米的望遠鏡對天空中各個可能位置拍攝照片，并用一臺“閃視比較鏡”對觀測結果進行觀察。在這種閃視比較鏡下切換兩張同一天區相隔幾天先后拍攝的照片時，人眼對位置固定不動的恒星并不敏感，卻容易發現其中個別位置發生了顯著變化的小亮點——它們就是行星、小行星、彗星等太陽系天體。1930 年 2 月 18 日，湯博迎來了他一生中最閃亮的時刻：在雙子座境內的黃道附近，一個在幾天之內顯著移動的光點引起他的注意。經過計算，這是一顆比海王星更遙遠的行星，羅威爾苦苦追尋的“Planet X”就是它。

（工作中的湯博）

太陽系第九顆行星發現的消息很快見諸報端，如何給它起一個恰如其分的名字，成為人們熱議的話題。一個年僅 11 歲的英國小姑娘維妮夏·伯尼，自幼對古典神話頗有愛好，她建議用主管冥界的神明 Pluto 的名字來命名這顆行星（所以中文名叫“冥王星”）。這個建議通過她的爺爺傳到羅威爾天文臺，很快被湯博接受，因為 Pluto 的頭兩個字母 P-L，剛好是天文臺建立者帕西瓦爾·羅威爾姓名首字母的縮寫。不過這個提法沒有被威廉·皮克林接受——他曾自述，P-L 實乃“皮克林 - 羅威爾”的縮寫。這也是一段著名的公案。

（維妮夏·伯尼，1918-2009）

奇怪的冥王星

冥王星自打發現之后，就以其種種奇行一次次拓寬人們的腦洞。細數起來，冥王星可以說是有七大怪：

第一怪是距離遠。冥王星到太陽的平均距離是 39.4 個天文單位（地球到太陽的平均距離，1 天文單位約為 1.5 億公里）。從太陽發出的光，平均要走 5 個多小時，才能照到冥王星的表面。在冥王星，太陽比地球上看起來暗一千多倍，因此冥王星的表面非常寒冷——最高溫也不過攝氏零下 220 度左右，以至于地球大氣層中含量最多的氮氣，在冥王星表面會被凍成固態。

（瑞典太陽系模型）

第二怪是軌道傾角大。太陽系的眾多行星，多數都在幾乎同一個平面上繞太陽公轉，我們一般以地球的公轉軌道面——黃道——作為基準來衡量它們的軌道面傾斜的程度。在海王星之內的八大行星，只有水星的軌道傾角在 5°以上（6.34°），其他各個行星的軌道傾角全都在一兩度這個微小的范圍內。而冥王星的軌道傾角，竟然高達 17°多。所以說湯博發現冥王星真是如有神助——他發現冥王星的 1930 年，差不多剛好是冥王星在 120 多年中最接近黃道的一段時間，如果不是這個巧合，人類按照在黃道附近搜尋未知行星的思路，還需要很多年才能發現冥王星吧。

第三怪是離心率大。太陽系本來是一個規規矩矩的“圓環套圓環娛樂城”：從水星到海王星，每一個行星都在一個接近正圓的軌道運行，整個太陽系的井然有序；然而，冥王星卻在一個離心率達近 0.25 的橢圓軌道上運行——這意味著，冥王星離太陽最遠時，距離是離太陽最近時的約 1.6 倍！這也意味著，冥王星離太陽比較近時，比海王星離太陽還近，它們的軌道看起來，是有一部分“交叉”的——這實在是太“壞規矩”了！它與太陽之間這樣巨大的距離變化，使得冥王星在公轉過程中的各個階段，接收到的太陽光強弱很不相同，冥王星也因此產生了明顯的“季節”變化。

第四怪是，冥王星是太陽系中唯一的一個雙星系統。它具有一顆名叫“查龍”的衛星，這顆衛星比冥王星并沒有小很多，它們之間的距離也很近。長期的朝夕相伴，它們都在彼此的潮汐力作用下，使得彼此繞轉的公轉周期，和它們的自轉周期相等了——也就是說，冥王星和查龍就像手拉著手跳舞的兩個舞者，始終用同一張臉孔彼此“對視”！

第五怪是，冥王星和查龍這對兄弟的“舞蹈”的方向，仍然不與太陽系大部分行星的軌道平面相平行——恰恰相反，它們回旋起舞的方向，與它們公轉前進的方向，幾乎垂直——它們是“躺著”起舞的！這太奇怪了。

第六怪是，冥王星的個頭雖小，卻有一個大家庭。太陽系行星中，水星、金星都沒有衛星，地球只有一顆衛星——我們的月亮，火星有兩顆衛星；木星、土星、天王星和海王星都有很多顆衛星，但它們作為大質量的氣態巨行星，當之無愧值得擁有這樣的大家庭。冥王星就很神奇了——它的大小連半個中國都填不滿，卻在查龍之外，還擁有另外 4 顆衛星！這讓地球情何以堪。

最后一怪——冥王星的大家庭中，不僅“孩子”多，“兄弟姐妹”也很多。冥王星發現后，很多天文學家預言太陽系邊疆存在一個富含冰冷小天體的區域，冥王星只是其中的一員。這個神秘的區域的存在直到 1992 年才真正被證實——它被命名為柯伊伯帶，而我們迄今已經發現了超過 1000 顆柯伊伯帶天體。據估計，柯伊伯帶中總共有超過十萬顆直徑 100 公里以上的小天體——它的綿延范圍和物質總量比火星和木星之間的小行星帶還要大的多。

（柯伊伯帶天體）

冥王星被證實為柯伊伯帶天體的一員之后，質疑冥王星的“第九大行星”地位的聲音就越來越多了——如果說冥王星是第九大行星，那新發現的那些柯伊伯帶天體，豈不是可以依次叫做“第十大行星”“第十一大行星”……這無窮無盡的，怎么數的過來。這種尷尬的情況迫使天文學家重新思考“行星”這個看似非常基礎的概念的定義。2006 年在巴西圣保羅的國際天文學聯合會大會上，全世界的天文學家投票通過了新的行星定義。這個新定義規定，在繞著太陽旋轉的圓球中，只有能夠靠自身引力“把鄰近軌道上的天體清除”的那些，才能有資格被稱作是“行星”；冥王星這樣兄弟姐妹一大家子的，抱歉，只能被稱作“矮行星”了——這就是冥王星被“踢出”行星序列的故事。

（2006 年國際天文學聯合會大會，決議將冥王星開除出“行星”序列）

不過，大家并不會因此貶低湯博的貢獻——他發現的雖然不再是“第九大行星”，然而他是柯伊伯帶的發現者——這是更偉大的成就！

人類的新視野

1962 年，美國水手二號探測器造訪金星；

1965 年，美國水手四號探測器飛越火星；

1972 年，美國先驅者十號探測器掠過木星；

1974 年，美國水手十號探測器經行水星；

1979 年，美國先驅者十一號探測器初探土星；

1986 年、1989 年，美國旅行者二號探測器先后抵達天王星、海王星。

至此，傳統上所謂的太陽系“九大行星”，只剩下遙遠的冥王星，從未被人類發射的探測器近距離探索過——而它的距離如此遙遠，地球上任何威力巨大的望遠鏡，都看不清楚它的多少細節。神秘面紗籠罩的冥王星，牢牢地捏住了人類無窮的好奇心。它是人類注定要揭開的，一片新視野。

2006 年 1 月 19 日，美國宇航局在卡納維拉爾角用 Atlas V 型火箭發射了踏上奔向太陽系邊疆漫漫征途的“新視野”號探測器。它將飛行 9 年 7 個月零 6 天，跨越數十億公里的無垠太空，只為到冥王星的身旁，以它的“新視野”為我們揭密太陽系中這最后一片處女地。

2007 年 2 月 28 日，新視野號首先飛越了木星。它借助木星巨大的引力完成了一個華麗的轉身，像彈弓中的一粒石子一樣，被準確的射向了它的最終目的地冥王星的方向。在這次“引力彈弓”過程中，新視野號開機測試了它隨身攜帶的各件科學儀器，拍攝了木星表面恢弘綿密的云帶、木衛一表面高高揚起的“噴泉”，在確認各部分工作狀態良好后，沉沉的睡了過去。

（新視野號拍攝的木星）

這一睡就是八年（中間幾次起夜暫且不計）。2015 年初，新視野號從一場大夢中醒來，很快便開始勤奮的工作——隨著飛臨冥王星的日子日趨鄰近，它拍攝的冥王星的靚照也一日比一日清晰起來。7 月 13 日，新視野號飛越冥王星的前一天，它發回了讓世界為之沸騰的那張經典照片：一向被認為是寒冷、孤僻的冥王星，竟然是一個“雙手”捧著一顆大大的“愛心”的萌物！奧巴馬旋即自豪臉的宣布，這是“展現美國領導力的偉大日子”。更多的網民則立即把冥王星萌化成各式各樣的表情包，一時間“冥王”苦心經營多年的“威嚴”蕩然無存。

7 月 14 日，真正的飛臨日。新視野號的表現再次讓我們驚艷。在最近僅 12500 公里——大約相當于地球直徑——的貼面而過中，新視野號攜帶的高分辨率照相機，獲得了最高分辨率達 50 米的精細照片，讓我們得以一睹冥王星上地形的細貌。在這些圖片中，我們看到了冥王星上異常年輕的群山，我們看到冥王星的心形平原（被命名為湯博區域）上像干涸的泥地般龜裂的地貌，我們看到冰川流動的痕跡……原以為死寂的世界，竟這樣活躍多姿。

短暫相逢后，新視野號轉過身來，深情凝望遠去的冥王星。它看到了恐怕是世界上最孤寂、最獨特的一次日全食——冥王星，而不是月球，緩緩移過太陽前方。就在這短短十幾分鐘里，機智的新視野號拍下了來自太陽紫外輻射變化的過程——原則上，如果冥王星不是在宇宙間“裸奔”，而是包裹著一層大氣的話，太陽被不同厚度的大氣層逐漸遮擋的過程會體現在來自太陽的紫外輻射不斷變化的數據中。新視野號驚訝的發現，別看冥王星這么小，它居然有超過 1600km 厚的大氣層，這以氮氣為主要成分的稀薄大氣，還明顯的分為兩層——這是地球上的天文學家們始料未及的。

探測冥王星之后，新視野號并未結束使命。首先，它需要用十幾個月的時間才能回傳全部數據——在那樣遙遠的地方，信號實在是太弱了。之后，它將踏上又一段征程：天文學家希望，它能利用剩余的燃料，拐向另一顆柯伊伯帶的小天體，一探究竟。

實際上，這個計劃早在新視野號發射之前就已經提出了——雖然那時天文學家還完全不知道冥王星后面，還有哪些可以選作新視野號下一階段任務目標的天體——他們只是相信，一定會有的。新視野號團隊首席科學家阿蘭·斯特恩回憶說，他們在新視野號飛掠冥王星之后可能經過的區域范圍內，找了近十年，卻一無所獲——即使他們已經使用了地面上最大的望遠鏡：凱克望遠鏡、雙子座望遠鏡、昴星團望遠鏡……就在新視野號還有一年就要飛掠冥王星的節骨眼上，他們終于意識到，地面上的望遠鏡恐怕是指望不上了，這事，還得靠哈勃空間望遠鏡這個大殺器。

他們向哈勃望遠鏡提交了一個龐大的觀測計劃，哈勃望遠鏡很快受理了他們的申請，但是有言在先：如果試觀測階段一無所獲，他們將不能獲得進一步觀測時間。然而，萬幸的是，哈勃就是哈勃——幾乎是一擊即中，在一個星期之內，新視野號團隊就在哈勃拍攝的照片中發現了一個移動的暗淡光點，而它，幾乎就在新視野號即將經過的軌跡上。大約三年之后，新視野就將探訪這顆比冥王星還要暗淡十萬倍的小星球。